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世界首個離子電流電池問世生物相容性良好

时间:2019-06-02 10:09:00 来源:互联网 阅读:5次
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  导读

  近,美國馬里蘭大學的工程師們發明了一種具有生物相容性的全新電池。這種離子電流電池能夠產生出基于離子的電能,它與人類和其他生物系統所用的電能屬于同一種類型。

  背景

  在我们的身体中,流动的离子(钠、钾和其他电解质)所形成的电信号,不仅能够为大脑提供能量,还可以控制心率和肌肉运动等等。也就是说,生物系统的细胞运作需要离子电流。

  可是在传统电池中,电能或者电流都是以电子运动的形式流动。传统电池产生的电流,是在电池内部,将阳离子从电池的一端(电极)移动到另外一端,而在电池的外部只能以提供“电子形式的电流”。

  创新

  然而,美国马里兰大学进行独到的创新研究,发明了一种新型电池,也称为“电子电池”。它的工作方式恰恰相反:它在电池内部移动电子,而在外部以离子流动的形式传递能量。这也是科学家们首次发明一种产生离子电流的电池。

  (图片来源:参考资料【2】)

  对此,电池开发小组的领头人、马里兰大学学院市分校的材料科学教授Liangbing Hu 介绍说:

  “我的发明是与人类系统交互的离子系统,所以我提出了反向的电池设计。在传统的电池中,电子通过电线流动,与电子设备交互,而离子流过电池隔板。在我们的反向设计中,传统的电池被通过电子方式短路(这意味着电子流过金属线)。然后,离子必需流过外部的离子电线。在这个方案中,离子线(这里是指草纤维)中的离子,能与生物系统产生交互。”

  以下是研究人员论文中的一张图,它更直观地阐明了这个设计理念:

  (a) 传统电池(左)和电池电池(右)。对于传统电池来说,阳极和阴极由离子介质分开,离子通过这种介质扩散,而电子则通过外部电路传输;对于电子电池来说,电子介质用于在电池内部传导电子,而离子则通过外部电路传输。

  (b) 电流-电压曲线的插图,分别代表了传统电池和电子电池和离子系统交互的情况。电气电极的曲线显示,电化学反应发生的地方有一个起始电压(VE)。离子电极的运行情况则不同(遵循欧姆定律),电流随电压线性变化。

  (图片来源:参考资料【2】)

  Hu 与其同事们的相关研究于7月24日,发表在《自然通信》刊物上。

  技术

  之前,科学家们一直在尝试搞清楚这个问题:如何让电池与生物系统具有相容性?

  他们尝试将电子电流转化为离子电流,可是这种方案存在一个问题:电子电流需要达到一定的电压,才能逾越电子系统和离子系统之间的鸿沟。可是在生物系统中,离子电流需要在非常低的电压条件下流动。那么,通过一个“补丁”将电子转化为离子,感应电流会太高以至无法满足运行需求,特别是对于大脑和肌肉而言。然而这个问题可以通过离子电流电池来消除,它可以在任意电压下运行。

  马里兰大学设计的新型电池具有另外一项不同寻常的功能,它使用草来存储能量。团队为了制造这种电池,将肯塔基蓝草叶片浸泡在锂盐溶液中。这些在草叶中来回运输营养物质的通道,便是容纳溶液的理想管道。

  (图片来源:参考资料【2】)

  研究团队设计了一种用于演示的电池,它看上去就像两个内部具有一片草叶的玻璃管,每个玻璃管的顶部都连接着一根金属细线。随着存储的电能缓慢释放,这根线就成了电子从电池的一端流向另外一端的通道。每个玻璃管的另外一端是一个金属锥尖,离子电流会流过它。

  研究人员证明,将电池的两端与浸泡在锂盐溶液中的棉绳的任意一端相接触,中间会有一个染成蓝色的铜离子,离子电流便形成了。在离子电流中,铜离子沿着绳子向着带负电荷的电极移动,这与研究人员的预测一致。

  (图片来源:参考资料【2】)

  马里兰大学学院市分校材料科学和工程系的研究生、论文的作者Chengwei Wang称:“草中的这些微管道能够容纳盐溶液,让它们成为稳定的离子导体。”然而,团队计划对他们能够创造的离子电流电池的类型进行多样化。Wang说:“我们计划通过纤维素、水凝胶和聚合物,开发多种离子导体。”

  价值

  这并不是马里兰大学的科学家们首次测试天然材料的新用途。Hu 和他的团队之前一直在研究用于电子电池的纤维素和植物材料,通过木材创造出新型电池和超级电容,以及通过树叶创造出新型电池。他们也将使用透明木材作为玻璃窗户更加节能的替代品。

  加州大学圣迭戈分校纳米工程的副教授Ping Liu,他并没有参与这项研究,他评论说:“这项研究非常具有创造性,它的主要价值就是为生物系统提供离子流,并且不给它们带来其他危险。,这项研究的影响真正在于,无论能否找到更小且生物兼容性更强的连接材料,细胞和组织的接口都将变得更加直接和高效。”

  (图片来源:参考资料【2】)

  研究小组成员、位于马里兰州贝塞斯达的国家卫生研究院的一部分:国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所(NIDDK)的在职科学家Jianhua Zhang博士说:“可能的应用包括开发下一代的设备,用于神经元活动和交互的微操作,从而防止(和/或)治疗这种类型的医疗问题,例如阿尔茨海默氏症和抑郁症。”Zhang 博士负责进行生物实验,测试新型电池是否能够成功的将电流传输至细胞。他说:“这种电池可用于研究和临床环境,开发残疾人医疗设备,或者作为更加有效的药物和基因传递工具,成为一种治疗癌症或者其他内科疾病的方法。”“展望科研领域,还有一个希望就是,这项发明将帮助建立起药物和人类直接通信的可能性。”

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